(57)【要約】【課題】厚みの異なる３種類の光ディスクの記録再生を１つの対物レンズを用いて実現できる光ヘッド、及びこれらを応用した装置を提供すること。【解決手段】赤色光を回折する第１、第２の体積ホログラムと、赤外光を回折する第３、第４の体積ホログラムと、屈折型レンズとを備え、青色光は前記体積ホログラムを通して屈折型レンズにより０．１ｍｍの透明層に束し、赤色光は第１の体積ホログラムの回折光が一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２の体積ホログラムの回折光が屈折型レンズで０．６ｍｍの透明層に収束する。赤外光については、赤色光同様に第３、第４で回折し屈折型レンズで１．２ｍｍの透明層に収束する。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λ２の光を回折する第１及び第２のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ１の光が厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ２の光が厚みｔ２の透明層を通して収束されることを特徴とする光学レンズ。
【請求項２】
波長λ２の光を回折する第１及び第２のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ１の光が第１及び第２のホログラムを通して、前記屈折型レンズに入射し、厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ２の光が第１のホログラムに入射し、第１のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ２の透明層を通して収束されることを特徴とする光学レンズ。
【請求項３】
前記波長λ２の光は第１のホログラムと第２のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射する請求項１または２に記載の光学レンズ。
【請求項４】
前記波長λ２の光の波長変化による第１のホログラムの回折角の変化分と、第２のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にある請求項１から３のいずれか１項に記載のいずれかの光学レンズ。
【請求項５】
前記第１のホログラムに入射する波長λ２の光の開口の最外周の光が、第１のホログラムで回折して第２のホログラムの最内周に入射する請求項１から４のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項６】
前記波長λ２の光が第１のホログラムに直径Ｄ１で入射し、第１のホログラムの回折光が第２のホログラムに直径Ｄ２で入射するとき、Ｄ１＞Ｄ２となるよう構成した請求項１から５のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項７】
前記第１及び第２のホログラムが、屈折率分布を有する体積ホログラムである請求項１から６のいずれかに記載の光学レンズ。
【請求項８】
前記第１のホログラムを透明平行板の一方の面に、前記第２のホログラムを前記透明平行板の他方の面に形成した請求項１から７のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項９】
前記波長λ１の光が厚みｔ１の透明層を通して収束される開口数をＮＡ１、波長λ２の光が厚みｔ２の透明層を通して収束される開口数をＮＡ２とすると、ｔ１＜ｔ２であり、かつＮＡ１＞ＮＡ２である請求項１から８のいずれかに記載の光学レンズ。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光学レンズと、波長λ１の光を出射する第１の光源と、波長λ２の光を出射する第２の光源と、光情報媒体の記録面で反射した光を受けてその光量に応じて電気信号を取り出す光検出部とを備え、
前記光学レンズは、前記第１の光源からの第１の光ビームを厚みｔ１の透明層を通して第１の光情報媒体の記録面に収束し、前記第２の光源からの第２の光ビームを厚みｔ２の透明層を通して第２の光情報媒体の記録面に収束し、ｔ１＜ｔ２であることを特徴とする光ヘッド。
【請求項１１】
前記波長λ１の光の波長が４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２の光の波長が６５０ｎｍ近傍である請求項１から９いずれか１項に記載の光学レンズとそれを用いた請求項１０記載の光ヘッド。
【請求項１２】
前記透明層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記透明層の厚みｔ２が略０．６ｍｍである請求項１から９いずれか１項に記載の光学レンズとそれを用いた請求項１０または１１に記載の光ヘッド。
【請求項１３】
波長λ２の光を回折する第１及び第２のホログラムと波長λ３の光を回折する第３及び第４のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ１の光が厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ２の光が厚みｔ２の透明層を通して収束され、波長λ３の光が厚みｔ３の透明層を通して収束されることを特徴とする光学レンズ。
【請求項１４】
波長λ２の光を回折する第１及び第２のホログラムと波長λ３の光を回折する第３及び第４のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ１の光が第１から第４のホログラムを通して、前記屈折型レンズに入射し、厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ２の光が第１のホログラムに入射し、第１のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ２の透明層を通して収束され、波長λ３の光が第３のホログラムに入射し、第３のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第４のホログラムに入射し、第４のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ３の透明層を通して収束されることを特徴とする光学レンズ。
【請求項１５】
波長λ２の光は第１のホログラムと第２のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射し、前記波長λ３の光は第３のホログラムと第４のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射する請求項１３または１４に記載の光学レンズ。
【請求項１６】
前記波長λ２の光の波長変化による第１のホログラムの回折角の変化分と、第２のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあり、前記波長λ３の光の波長変化による第３のホログラムの回折角の変化分と、第４のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にある請求項１３から１５のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項１７】
前記第１のホログラムに入射する波長λ２の光の開口の最外周の光が、第１のホログラムで回折して第２のホログラムの最内周に入射し、第３のホログラムに入射する波長λ３の光の開口の最外周の光が、第３のホログラムで回折して第４のホログラムの最内周に入射する請求項１３から１６のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項１８】
前記波長λ２の光が第１のホログラムに直径Ｄ１で入射し、第１のホログラムの回折光が第２のホログラムに直径Ｄ２で入射し、前記波長λ３の光が第３のホログラムに直径Ｄ３で入射し、第３のホログラムの回折光が第４のホログラムに直径Ｄ４で入射するとき、Ｄ１＞Ｄ２及びまたはＤ３＞Ｄ４になるよう構成した請求項１３から１７のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項１９】
波長λ１の光を回折する第１及び第２のホログラムと波長λ３の光を回折する第３及び第４のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ２の光が第１から第４のホログラムを通して、前記屈折型レンズに入射し、厚みｔ２の透明層を通して収束され、波長λ１の光が第１のホログラムに入射し、第１のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ３の光が第３のホログラムに入射し、第３のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第４のホログラムに入射し、第４のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ３の透明層を通して収束されることを特徴とする光学レンズ。
【請求項２０】
波長λ１の光は第１のホログラムと第２のホログラムにより回折して収束光となり前記屈折型レンズに入射し、前記波長λ３の光は第３のホログラムと第４のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射する請求項１９に記載の光学レンズ。
【請求項２１】
前記波長λ１の光の波長変化による第１のホログラムの回折角の変化分と、第２のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあり、前記波長λ３の光の波長変化による第３のホログラムの回折角の変化分と、第４のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にある請求項１９または２０に記載の光学レンズ。
【請求項２２】
前記第１のホログラムに入射する波長λ１の光の開口の最外周の光が、第１のホログラムで回折して第２のホログラムの最内周に入射し、第３のホログラムに入射する波長λ３の光の開口の最外周の光が、第３のホログラムで回折して第４のホログラムの最内周に入射する請求項１９から２１のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項２３】
前記波長λ１の光が第１のホログラムに直径Ｄ１で入射し、第１のホログラムの回折光が第２のホログラムに直径Ｄ２で入射し、前記波長λ３の光が第３のホログラムに直径Ｄ３で入射し、第３のホログラムの回折光が第４のホログラムに直径Ｄ４で入射するとき、Ｄ１＜Ｄ２及びまたはＤ３＞Ｄ４になるよう構成した請求項１９から２２のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項２４】
前記第１から第４のホログラムが、屈折率分布を有する体積ホログラムである請求項１３から２３のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項２５】
前記第１と第３のホログラムを透明平行板の一方の面に、前記第２と第４のホログラムを前記透明平行板の他方の面に形成した請求項１３から２４のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項２６】
波長λ１の光が厚みｔ１の透明層を通して収束される開口数をＮＡ１、波長λ２の光が厚みｔ２の透明層を通して収束される開口数をＮＡ２、波長λ３の光が厚みｔ３の透明層を通して収束される開口数をＮＡ３とすると、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３であり、かつＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３である請求項１３から２５のいずれか１項に記載の光学レンズ。
【請求項２７】
請求項１３から請求項２６のいずれか１項に記載の光学レンズと、波長λ１の光を出射する第１の光源と、波長λ２の光を出射する第２の光源と、波長λ３の光を出射する第３の光源と、光情報媒体の記録面で反射した光を受けてその光量に応じて電気信号を取り出す光検出部とを備え、
前記光学レンズは、前記第１の光源からの第１の光ビームを厚みｔ１の透明層を通して第１の光情報媒体の記録面に収束し、前記第２の光源からの第２の光ビームを厚みｔ２の透明層を通して第２の光情報媒体の記録面に収束し、第３の光源からの第３の光ビームを厚みｔ３の透明層を通して第３の光情報媒体の記録面に収束し、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３であることを特徴とする光ヘッド。
【請求項２８】
前記波長λ１の光の波長が４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２の光の波長が６５０ｎｍ近傍であり、前記波長λ３の光の波長が７８０ｎｍ近傍である請求項１３から２６のいずれかに記載の光学レンズとそれを用いた請求項２７に記載の光ヘッド。
【請求項２９】
前記透明層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記透明層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記透明層の厚みｔ３が略１．２ｍｍである請求項１３から２６のいずれかに記載の光学レンズとそれを用いた請求項２７または２８に記載の光ヘッド。
【請求項３０】
請求項１０から１２と請求項２７から２９のいずれか１項に記載の光ヘッドと、光情報媒体を回転するモータと、前記光ヘッドから得られる信号に基づいて、前記モータ、前記光学レンズ、及び光源の少なくともいずれかを制御および駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする光情報装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の光情報装置を備え、入力された情報、及び前記光情報装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、前記入力された情報、情報再生装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置を備えたことを特徴とするコンピュータ装置。
【請求項３２】
請求項３０に記載の光情報装置と、画像情報を光情報装置に記録する情報に変換するエンコーダーと、前記光情報装置から得られる信号を画像に変換するデコーダーとを備えた光情報媒体レコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスクなどの光情報媒体上に記憶される情報の記録・再生または消去を行う光ヘッドとこの光ヘッドに用いる光学レンズ、及びその光ヘッドを用いた光情報装置と、それらを応用したシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度で大容量の記憶媒体として光ディスクは、オーディオディスク、ビデオディスク、文書ファイルディスク、データファイルへと用途を拡大してきた。さらに、近年、光学技術の進歩と光源である半導体レーザの短波長化により、従来以上に高密度の記憶容量を持つ光ディスクの開発が進んでいる。高密度化のアプローチとしては、光ディスク上へ光ビームを微小に絞る光学系の開口数（以下ＮＡ）を大きくすることが検討されている。その際、問題となるのが光軸の傾きによる収差の増加である。ＮＡを大きくすると、光軸の傾きに対して発生する収差が大きくなる。これを防ぐためには、光ディスクの透明層を薄くすれば良い。なお、本明細書中において、透明層とは光ディスクに光ビームが入射する面から情報記録面までに介在する透明な媒体を指す。
【０００３】
光ディスクの第１世代といえるコンパクトディスク（以下ＣＤ）は波長７８０ｎｍの赤外光を用い、対物レンズのＮＡを０．４５とし、光ディスクの透明層の厚みを１．２ｍｍとしている。第２世代のデジタルバーサタイルディスク（以下ＤＶＤ）は波長６５０ｎｍの赤色光を用い、対物レンズのＮＡを０．６とし、光ディスクの透明層の厚みを０．６ｍｍとしている。そして、第３世代のブルーレイディスク（以下ＢＤ）は波長４０５ｎｍの青色光を用い、対物レンズのＮＡを０．８５とし、光ディスクの透明層の厚みを０．１ｍｍとした。このように、高密度化に伴い、光ディスクの透明層は薄くなっている。
【０００４】
高密度光ディスクであるＢＤにおいても、ＤＶＤやＣＤで蓄積された資産の継承が望まれ、装置の大きさの観点からは、異なる光ディスクを１つの光ヘッドで記録再生できる光情報装置が求められている。そのためには透明層の厚みが異なる光ディスクに対して回折限界まで光ビームを絞ることのできる光ヘッドが必要になる。また、透明層の厚いディスクを記録再生する場合には、光ディスク表面より離れた位置ある記録面上に光ビームを収束する必要があり、焦点距離をより長くしなければならない。
【０００５】
このため、従来より異なる種類の光ディスクを複数の波長の光ビームを用いて記録再生することを目的とした構成が開示されている。これを図１８と図１９を用いて説明する。
【０００６】
図１８は、光ヘッドの概略構成を示し、波長６５０ｎｍの光源を有する光学系６０より出射した平行光はビームスプリッター６２及び波長選択位相板６３を透過して、対物レンズ６４により、透明層の厚み０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束される。光ディスク５２で反射した光は逆の経路をたどって光学系６０の検出器で検出される。波長７８０ｎｍの光源を有する光学系６１より出射した発散光はビームスプリッター６２で反射、波長選択位相板６３を透過して、対物レンズ６４により、透明層の厚み１．２ｍｍの光ディスク５３の情報記録面に収束される。光ディスク５３で反射した光は逆の経路をたどって光学系６１の検出器で検出される。
【０００７】
対物レンズ６４は波長６５０ｎｍの平行光入射時に透明層の厚み０．６ｍｍのＤＶＤに収束されるように設計されており、透明層の厚み１．２ｍｍのＣＤを記録再生の際は透明層の厚みの違いによって球面収差が発生する。この球面収差を補正するため、光学系６１より出射して対物レンズ６４に入射する光ビームを発散光にするとともに、波長選択位相板６３を用いている。対物レンズに発散光を入射させると新たな球面収差が発生するので、透明層の厚みの違いによって発生する球面収差をこの新たな球面収差でうち消すとともに、波長選択位相板６３によっても波面を補正している。
【０００８】
図１９に波長選択位相板６３の平面図である図１９（ａ）と側面図である図１９（ｂ）を示す。波長選択位相板６３は、波長λ２（６５０ｎｍ）での屈折率をｎ２、ｈをλ２／（ｎ２−１）として、高さｈ、３ｈの位相段差６３ａで構成される。波長６５０ｎｍの光に対しては、高さｈにより生じる光路長の差は波長λ２であり、位相差は２πラジアンに相当するため、位相分布に影響を与えず、光ディスク５２の記録再生には影響を与えない。一方、波長λ３（７８０ｎｍ）の光に対しては、屈折率をｎ３とすると、ｈ／λ３×（ｎ３―１）の光路長の差を生じる。この光路長の差は波長の整数倍にならず位相差が発生する。この位相差を利用して、先に述べた収差補正を行っている（たとえば特許文献１）。
【０００９】
第２の従来例としては、２つの波長選択位相板と対物レンズを組み合わせ、３種類のディスクに対応する構成が開示されている。これを、図２０を用いて説明する。図２０は光ヘッドの概略構成を示し、光学ユニット７０より出射した波長４０５ｎｍの青色光７１ａは回折素子７２で回折し凹レンズ７３で略平行光となり対物レンズ７７で発生する色収差を補正して透明層の厚み０．１ｍｍの光ディスク５１の情報記録面に収束される。また、光学ユニット７０より出射した波長６５０ｎｍの赤色光７１ｂは回折素子７２の影響を受けずに凹レンズ７３で発散光となり、波長選択位相板７５により位相を補正されて透明層の厚み０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束される。さらに、光学ユニット７０より出射した波長７８０ｎｍの赤外光７１ｃは回折素子７２の影響を受けずに凹レンズ７３で発散光となり、波長選択位相板７６により位相を補正されて、透明層の厚み１．２ｍｍの光ディスク５３の情報記録面に収束される。光ディスク５１、５２、５３で反射した光は逆の経路をたどって光学ユニット７０の検出器で検出されるよう構成されている。
【００１０】
波長選択位相板７５は波長６５０ｎｍの光ビームに対して位相段差を発生し、波長４０５ｎｍと７８０ｎｍの光ビームに対しては各波長の略整数倍の位相差になるような位相段差７５ａが設けられている。このため、光ビーム７１ａと７１ｃの位相分布には影響を与えない。波長選択位相板７６は波長７８０ｎｍの光ビームに対して位相段差を発生し、波長４０５ｎｍと６５０ｎｍの光ビームに対しては各波長の略整数倍になるような位相段差７６ａが設けられている。このため、光ビーム７１ａと７１ｂの位相分布には影響を与えない。
【００１１】
対物レンズ７７は波長４０５ｎｍの青色光が平行で入射した時に透明層の厚み０．１ｍｍのＢＤに収束されるように設計されており、透明層の厚み０．６ｍｍのＤＶＤを記録再生する際は厚みの違いによって球面収差が発生する。この球面収差を凹レンズ７３により発散光にすることで発生する球面収差と、波長選択位相板７５を用いて補正している。また、透明層の厚み１．２ｍｍのＣＤを記録再生する際に発生する球面収差は、凹レンズ７３により発散光にすることで発生する球面収差と、波長選択位相板７６を用いて補正している（たとえば特許文献２）。
【００１２】
第３の従来例としては、複数の対物レンズを機械的に切り替えて用いる構成が開示されている（たとえば特許文献３）。
【００１３】
第４の従来例としては、第１の従来例と同様に屈折型の対物レンズとホログラムを組み合わせて、異なる波長の光の同じ次数の回折光に生じる色収差を利用して、透明層の厚みの差を補正する構成が開示されている（たとえば特許文献４）。
【特許文献１】特開平１０−３３４５０４号公報（第７−９頁、図１−図４）
【特許文献２】特開２００３−２８１７７５号公報（第６−１１頁、図１）
【特許文献３】特開平１１−２９６８９０号公報（第４−６頁、図１）
【特許文献４】特開２０００−８１５６６号公報（第４−６頁、図１、２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
第１の従来例は、互換素子として、波長選択位相板を用いている。透明層の厚い光ディスクを記録再生する際には、記録面が対物レンズに対して、透明層の厚みの分だけ遠くなるので、焦点距離を延ばす必要がある。焦点距離は互換素子がレンズパワーを有することによって伸ばすこともできるが、波長選択位相板にはレンズパワーがない。このため、ＢＤのように作動距離の短い対物レンズでＤＶＤやＣＤの球面収差を補正しても作動距離が確保できず、光ディスクと対物レンズが衝突してしまう。さらに、この方式はＣＤとＤＶＤの互換に関する特許であり、ＢＤを含めた３波長に対応することはできない。
【００１５】
第２の従来例では２つの波長選択位相板を用いてＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの記録再生に対応しているが、回折素子と波長選択位相板は３波長の波長選択性を持たせているため溝が深くなり、溝斜面の回折ロスと溝深さ精度の誤差で光量ロスが増加する。さらに、ＮＡの違いにより、ＤＶＤやＣＤでは開口が小さくなるため、光の取り込み率が劣化する。半導体レーザの発光角はＢＤとＤＶＤ及びＣＤで大差ないため、光の取り込み率はほぼ開口の比例する。例えばＣＤの場合、ＢＤに比べ面積比で２６％になるため、光量は１／４程度に低下する。また、凹レンズは回折素子と組み合わせてＢＤの色収差を補正するため、ＤＶＤとＣＤに対しては、十分に焦点距離を伸ばすことができず、ＣＤを記録再生する場合の作動距離は０．３ｍｍ以下になってしまう。ＣＤには０．３ｍｍのスタックリブ（内周部のリング状の突起）があるため、規格上は光ヘッドがＣＤに衝突することになる。さらに、この構成では回折格子と凹レンズと２つの波長選択位相板と対物レンズを必要とするため構造が複雑になりコスト面で不利である。また、これらを一体化してフォーカス駆動やトラッキング駆動をすると、アクチュエータの可動部質量が増加し高倍速駆動が困難になる。
【００１６】
第３の従来例では、対物レンズを切り替えているので、複数の対物レンズを要し、部品点数が多くなるとともに、光ヘッド装置の小型化が困難という課題がある。また、切り替え機構を要する点でも装置の小型化を困難にするという課題がある。
【００１７】
第４の従来例では、互換素子としてホログラムの１次回折を利用している。この方式はＣＤとＤＶＤの互換はできるが、ＢＤを含めた互換では、ホログラムの溝が深くなるため、溝斜面の回折ロスと精度誤差による光量ロスが増加し、記録光量の確保が困難になる。また、波長が変化するとホログラムの色収差により、球面収差が増加して記録再生性能を劣化させる。さらに、前記のようにＢＤとＤＶＤ及びＣＤのＮＡの違いにより、ＤＶＤとＣＤの光の取り込み率が劣化する。
【００１８】
これらのことから、光ディスクの透明層の厚さが１．２ｍｍ、０．６ｍｍ、０．１ｍｍに対応し、赤外光、赤色光、青色光の３波長互換を持った実用的な光ヘッドはできていない。
【００１９】
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、異なる種類の光ディスクの互換再生や互換記録を１つの対物レンズを用いて実現し、かつ光の取り込み率を上げて記録に十分な光量を確保するとともに、光量切り替え時などの波長変化に際して、焦点距離の変化や球面収差の発生を抑制し、安定した情報の記録再生ができる光ヘッド、及びこれらを応用した装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するために、本発明に係わる光学レンズの第１の構成は、波長λ２の光を回折する第１、第２のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ１の光は厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ２の光は厚みｔ２の透明層を通して収束されることを特徴とする。
【００２１】
前記本発明の望ましい構成は、前記波長λ１の光が第１及び第２のホログラムを通して、前記屈折型レンズに入射し、厚みｔ１の透明層を通して収束され、前記波長λ２の光が第１のホログラムに入射し、第１のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ２の透明層を通して収束されることを特徴とする。この構成によれば、波長λ２の光の波長が変化したとき、厚みｔ２の透明層を通して収束する光の球面収差の増加を抑えることができる。
【００２２】
前記本発明の光学レンズの第１の構成においては、前記波長λ２の光は第１のホログラムと第２のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射することが望ましい。
【００２３】
前記本発明の光学レンズの第１の構成において、前記波長λ２の光の波長変化による第１のホログラムの回折角の変化分と、第２のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあることが望ましい。
【００２４】
前記本発明の光学レンズの第１の構成において、第１のホログラムに入射する波長λ２の光の開口の最外周の光が、第１のホログラムで回折して第２のホログラムの最内周に入射することが望ましい。この望ましい例によれば、透明層に収束する波長λ２の光の光強度分布に不連続な領域が無くなり滑らかな光強度分布となる。
【００２５】
前記本発明の光学レンズの第１の構成において、波長λ２の光が第１のホログラムに入射するときのビーム径をＤ１、第１のホログラムにより回折し第２のホログラムに入射するときのビーム径をＤ２とすると、Ｄ１＞Ｄ２であることが望ましい。この望ましい例によれば、前記ＮＡ１と前記ＮＡ２の差による波長λ２の光の取り込み率の劣化を防ぐことができる。
【００２６】
前記本発明の光学レンズの第１の構成において、前記第１及び第２のホログラムが、屈折率分布を有する体積ホログラムであることが望ましい。この望ましい例によればホログラムの波長選択性が良好でかつ、回折効率が良く、光量ロスが少ない光学レンズを実現することができる。
【００２７】
前記本発明の光学レンズの第１の構成においては、前記第１のホログラムを透明平行板の一方の面に、前記第２のホログラムを前記透明平行板の他方の面に形成することが望ましい。この望ましい例によれば、光学レンズを小型かつ軽量に構成でき、アクチュエータの高速駆動が可能になる。
【００２８】
前記本発明の光学レンズの第１の構成において、波長λ１の光が透明層の厚みｔ１の透明層を通して収束される開口数をＮＡ１、波長λ２の光が透明層の厚みｔ２の透明層を通して収束される開口数をＮＡ２とすると、ｔ１＜ｔ２であり、かつＮＡ１＞ＮＡ２であることが望ましい。
【００２９】
本発明の第１の光ヘッドは前記第１の構成の光学レンズと、波長λ１の光を出射する第１の光源と、波長λ２の光を出射する第２の光源と、光情報媒体の記録面で反射した光を受けてその光量に応じて電気信号を取り出す光検出部とを備え、前記光学レンズは、前記第１の光源からの第１の光ビームを透明層の厚みｔ１の透明層を通して第１の光情報媒体の記録面に収束し、前記第２の光源からの第２の光ビームを透明層の厚みｔ２の透明層を通して第２の光情報媒体の記録面に収束し、ｔ１＜ｔ２であることを特徴とする。
【００３０】
前記本発明の第１の構成の光学レンズと第１の光ヘッドにおいて、前記波長λ１の光の波長が４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２の光の波長が６５０ｎｍ近傍であることが望ましい。
【００３１】
前記本発明の第１の構成の光学レンズと第１の光ヘッドにおいて、前記透明層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記透明層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであることが望ましい。
【００３２】
本発明に係わる光学レンズの第２の構成は、波長λ２の光を回折する第１及び第２のホログラムと波長λ３の光を回折する第３、第４のホログラムと屈折型レンズとを備え、波長λ１の光が厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ２の光が厚みｔ２の透明層を通して収束され、波長λ３の光が厚みｔ３の透明層を通して収束されることを特徴とする。
【００３３】
本構成の望ましい構成は、前記波長λ１の光が第１及び第２のホログラムを通して、前記屈折型レンズに入射し、厚みｔ１の透明層を通して収束され、前記波長λ２の光が第１のホログラムに入射し、第１のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ２の透明層を通して収束され、波長λ３の光が第３のホログラムに入射し、第３のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第４のホログラムに入射し、第４のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ３の透明層を通して収束されることを特徴とする。この構成によれば、透明層の厚みが異なる光ディスクを１つの対物レンズで記録再生することができ、波長λ２およびλ３の波長が変化したときの球面収差の増加を抑えることができる。
【００３４】
前記本発明の光学レンズの第２の構成において、前記波長λ２の光は第１のホログラムと第２のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射し、前記波長λ３の光は第３のホログラムと第４のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射することが望ましい。
【００３５】
前記本発明の光学レンズの第２の構成において、前記波長λ２の光の波長変化による第１のホログラムの回折角の変化分と、第２のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあり、前記波長λ３の光の波長変化による第３のホログラムの回折角の変化分と、第４のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあることが望ましい。
【００３６】
前記本発明の光学レンズの第２の構成において、第１のホログラムに入射する波長λ２の光の開口の最外周の光が、第１のホログラムで回折して第２のホログラムの最内周に入射し、第３のホログラムに入射する波長λ３の光の開口の最外周の光が、第３のホログラムで回折して第４のホログラムの最内周に入射することが望ましい。この望ましい例によれば、透明層に収束する波長λ２の光と波長λ３の光の光強度分布に不連続な領域が無くなり滑らかな光強度分布となる。
【００３７】
前記本発明の光学レンズの第２の構成において、前記波長λ２の光が第１のホログラムに直径Ｄ１で入射し、第１のホログラムの回折光が第２のホログラムに直径Ｄ２で入射し、前記波長λ３の光が第３のホログラムに直径Ｄ３で入射し、第３のホログラムの回折光が第４のホログラムに直径Ｄ４で入射するとき、Ｄ１＞Ｄ２及びまたはＤ３＞Ｄ４になるよう構成することが望ましい。この望ましい例によれば、前記ＮＡ１と前記ＮＡ２及び前記ＮＡ３の差による波長λ２の光の取り込み率の劣化を防ぐことができる。
【００３８】
本発明に係わる光学レンズの第３の構成は、波長λ１の光を回折する第１及び第２のホログラムと波長λ３の光を回折する第３、第４のホログラムと屈折型レンズとを備え、前記波長λ２の光が第１及び第２のホログラムを通して、前記屈折型レンズに入射し、厚みｔ２の透明層を通して収束され、前記波長λ１の光が第１のホログラムに入射し、第１のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第２のホログラムに入射し、第２のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ１の透明層を通して収束され、波長λ３の光が第３のホログラムに入射し、第３のホログラムの回折光の光軸の少なくとも一部が交差して第４のホログラムに入射し、第４のホログラムの回折光が屈折型レンズに入射し、厚みｔ３の透明層を通して収束されることを特徴とする。この構成によれば、透明層の厚みが異なる光ディスクを１つの対物レンズで記録再生することができ、波長λ１およびλ３の波長が変化したときの球面収差の増加を抑えることができる。
【００３９】
前記本発明の光学レンズの第３の構成において、前記波長λ１の光は第１のホログラムと第２のホログラムにより回折して収束光となり前記屈折型レンズに入射し、前記波長λ３の光は第３のホログラムと第４のホログラムにより回折して発散光となり前記屈折型レンズに入射することが望ましい。
【００４０】
前記本発明の光学レンズの第３の構成において、前記波長λ１の光の波長変化による第１のホログラムの回折角の変化分と、第２のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあり、前記波長λ３の光の波長変化による第３のホログラムの回折角の変化分と、第４のホログラムの回折角の変化分が相殺される方向にあることが望ましい。
【００４１】
前記本発明の光学レンズの第３の構成において、第１のホログラムに入射する波長λ１の光の開口の最外周の光が、第１のホログラムで回折して第２のホログラムの最内周に入射し、第３のホログラムに入射する波長λ３の光の開口の最外周の光が、第３のホログラムで回折して第４のホログラムの最内周に入射することが望ましい。この望ましい例によれば、透明層に収束する波長λ１の光と波長λ３の光の光強度分布に不連続な領域が無くなり滑らかな光強度分布となる。
【００４２】
前記本発明の光学レンズの第３の構成において、前記波長λ１の光が第１のホログラムに直径Ｄ１で入射し、第１のホログラムの回折光が第２のホログラムに直径Ｄ２で入射し、前記波長λ３の光が第３のホログラムに直径Ｄ３で入射し、第３のホログラムの回折光が第４のホログラムに直径Ｄ４で入射するとき、Ｄ１＜Ｄ２及びまたはＤ３＞Ｄ４になるよう構成することが望ましい。この望ましい例によれば、前記ＮＡ１と前記ＮＡ２及び前記ＮＡ３の差による波長λ２の光の取り込み率の劣化を防ぐことができる。
【００４３】
前記本発明の光学レンズの第２及び第３の構成において、前記第１から第４のホログラムが、屈折率分布を有する体積ホログラムであることが望ましい。この望ましい例によればホログラムの波長選択性が良好でかつ、回折効率の良く、光量ロスが少ない光学レンズを実現することができる。
【００４４】
前記本発明の光学レンズの第２及び第３の構成において、前記第１及び第３のホログラムを透明平行板の一方の面に、前記第２及び第４のホログラムを前記透明平行板の他方の面に形成しすることが望ましい。この望ましい例によれば、光学レンズを小型かつ軽量に構成でき、アクチュエータの高速駆動が可能になる。
【００４５】
前記本発明の光学レンズの第２及び第３の構成において、波長λ１の光がｔ１の透明層を通して収束される開口数をＮＡ１、波長λ２の光が厚ｔ２の透明層を通して収束される開口数をＮＡ２、波長λ３の光が厚さｔ３の透明層を通して収束される開口数をＮＡ３とすると、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３であり、かつＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３であることが望ましい。
【００４６】
本発明の第２の光ヘッドは前記第２又は第３の構成の光学レンズと、波長λ１の光を出射する第１の光源と、波長λ２の光を出射する第２の光源と、波長λ３の光を出射する第３の光源と、光情報媒体の記録面で反射した光を受けてその光量に応じて電気信号を取り出す光検出部とを備え、前記光学レンズは、前記第１の光源からの第１の光ビームを厚みｔ１の透明層を通して第１の光情報媒体の記録面に収束し、前記第２の光源からの第２の光ビームを厚みｔ２の透明層を通して第２の光情報媒体の記録面に収束し、第３の光源からの第３の光ビームを厚みｔ３の透明層を通して第３の光情報媒体の記録面に収束し、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３であることを特徴とする。
【００４７】
前記本発明の第２及び第３の構成の光学レンズと第２の構成の光ヘッドにおいて、前記波長λ１の光の波長が４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２の光の波長が６５０ｎｍ近傍であり、前記波長λ３の光の波長が７８０ｎｍ近傍であることが望ましい。
【００４８】
前記本発明の第２及び第３の構成の光学レンズと第２の構成の光ヘッドにおいて、前記透明層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記透明層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記透明層の厚みｔ３が略１．２ｍｍであることが望ましい。
【００４９】
本発明の光情報装置は前記各光学レンズのいずれかとレーザ光源とを含む光ヘッドと、光情報媒体を回転するモータと、前記光ヘッド装置から得られる信号を受け前記信号に基づいて、前記モータ、前記光学レンズ、及び前記レーザ光源の少なくともいずれかを制御及び駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする。
【００５０】
本発明のコンピュータは、前記光情報装置を備え、入力された情報、及び前記光情報装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、前記入力された情報、前記光情報装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置を備えたこと特徴とする。
【００５１】
本発明の光情報媒体レコーダーは、前記光情報装置と、画像情報を前記光情報装置によって記録する情報に変換するエンコーダーとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００５２】
本発明は、主に屈折率分布を有する２つの体積ホログラムにより、波長選択性が良好で波面変換効率の良い光学系を実現し、波長λ２の光を回折するホログラムと波長λ３の光を回折するホログラムを組み合わせることによりＢＤとＤＶＤ、ＣＤ間の透明層厚みの差による球面収差を補正でき、異種ディスクの互換を実現できる。また、２つの体積ホログラムを組み合わせることによりＮＡの違いによる光の取り込み率低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００５４】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の光ヘッドを図１から図８を用いて説明する。図１は同実施の形態における光ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図、図２（ａ）は第１のホログラムの平面図であり、図２（ｂ）は第１及び第２のホログラムおよび対物レンズの側面図、図３は第１のホログラムの詳細を示す拡大図、図４は第１及び第２のホログラムに入射する波長λ２の波長ずれと１次回折光の関係を示す図、図５は波長λ２の入射光に波長変動が生じたときの第１及び第２のホログラムからの回折光の振る舞いの様子を示す図、図６は波長λ２に波長ずれが生じたときの収差量の変化を示す図、図７は波長λ２の入射光に対する第１のホログラムと第２のホログラムの屈折率変化量Δｎと１次回折効率の関係を示す図、さらに、図８（ａ）は波長λ２の入射光をＮＡに合わせて開口制限したときの第１のホログラムの平面図を示し、図８（ｂ）はそのときの第１及び第２のホログラムと対物レンズの側面図を示す。
【００５５】
図１において１は第１のホログラム、２は第２のホログラムで、１０の透明平行板の面上に形成され、波長λ２（略６５０ｎｍ）の赤色光を回折する。１１は波長λ１（略４０５ｎｍ）の青色光を出射する青色レーザであり、１２は波長λ２の赤色光を出射する赤色レーザである。１４はコリメートレンズ、１５は対物レンズである。対物レンズ１５はＮＡが０．８５であり、波長λ１の光ビームを０．１ｍｍの透明層を通して絞ったときに球面収差が少なくなるように設計されている。また、第１及び第２のホログラム１、２と透明平行板１０及び対物レンズ１５は１６の鏡筒に取り付けられ、鏡筒１６はアクチュエータにより光ディスクのトラックに追従するよう構成されている。
【００５６】
５１は透明層の厚みｔ１が約０．１ｍｍか又はより薄い光ディスクで、波長λ１の光ビームによって記録再生される光情報媒体、例えばＢＤ用の光ディスクである。５２は透明層の厚みｔ２が約０．６ｍｍで、波長λ２の光ビームによって記録再生される光情報媒体、例えばＤＶＤ用の光ディスクである。光ディスク５１、５２は、光ビームが入射する面から記録面までの透明層のみを図示している。実際には、機械的強度を確保し、外形をＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、保護材を張り合わせている。光ディスク５２は、厚み０．６ｍｍの保護材を張り合わせ、光ディスク５１は厚み１．１ｍｍの保護材を張り合わせている。本発明の図面では、簡単のため、保護材は省略する。
【００５７】
記録密度の高い光ディスク５１を記録再生する際には、青色レーザ１１から出射した波長λ１の光ビーム４１がビームスプリッター１７により反射され、コリメートレンズ１４によって略平行光になり、波長板１９によって円偏光になる。波長板１９は波長λ１、波長λ２の両方に対して、略１／４波長板として作用するように設計されている。円偏光になった光ビーム４１は、第１のホログラム１と透明平行板１０と第２のホログラム２を透過し屈折型の対物レンズ１５により絞られ、厚さ約０．１ｍｍの透明層を通して光ディスク５１の情報記録面に収束される。光ディスク５１の情報記録面で反射した光ビーム４１は、もとの光路を逆にたどり波長板１９によって往路に対して直角方向の直線偏光になり、ビームスプリッター１７を透過して、ビームスプリッター１８で反射される。このビームスプリッター１７は、波長λ１の光ビームに関しては、１方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する。また、後で述べるように、赤色レーザ１２から出射する波長λ２の光ビーム４２は偏光に関係なく透過する。このようにビームスプリッター１７は偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子であり、このような特性になるよう光学多層膜１７ａが形成されている。ビームスプリッター１８で反射した光ビーム４１は、検出レンズ２０によって非点収差を与えられ、光検出器２１に入射する。光検出器２１の出力を演算することによって、フォーカス制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。フォーカス信号は例えば非点収差法、トラッキング信号は例えばプッシュプル法によって検出することができる。
【００５８】
光ディスク５２を記録再生する際には、赤色レーザ１２から出射した波長λ２の光ビーム４２がビームスプリッター１８とビームスプリッター１７を透過し、コリメートレンズ１４によって略平行光にされ、波長板１９で円偏光になる。円偏光になった光ビーム４２は、第１のホログラム１で回折し透明平行板１０を介して、第２のホログラム２で前記回折と反対方向に回折し、対物レンズ１５により、厚さ約０．６ｍｍの透明層を通して光ディスク５２の情報記録面に収束される。光ディスク５２の情報記録面で反射した光ビームはもとの光路を逆にたどって、ビームスプリッター１７を透過し、ビームスプリッター１８で反射される。ビームスプリッター１８は波長λ２に対して、１方向の直線偏光を透過し、それと直角方向の直線偏光を反射する。さらに、波長λ１の光ビーム４１は偏光に関係なく反射する。このようにビームスプリッター１８も偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子であり、このような特性になるよう光学多層膜１８ａが形成されている。ビームスプリッター１８で反射した光ビーム４２は、検出レンズ２０によって非点収差を与えられ、光検出器２１に入射する。
【００５９】
光検出器２１の出力を演算することによって、フォーカス制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。このように共通の光検出器２１から、光ディスク５１と５２のサーボ信号を得るためには、青色レーザ１１と赤色レーザ１２の発光点を、対物レンズ１５側の共通の位置に対して結像関係にあるように配置する。こうすることにより、検出器の数も配線数も減らすことができる。
【００６０】
次に、図２〜図７を用いて第１のホログラム１、第２のホログラム２および対物レンズ１５の働きと構成を詳細に説明する。対物レンズ１５は波長λ１の光ビーム４１を透明層０．１ｍｍの光ディスクを通して絞ったときに球面収差が少なくなるよう設計されているため、波長λ２の光ビームを透明層０．６ｍｍの光ディスクを通して絞ったときには球面収差が発生する。本発明は、第１及び第２のホログラム１、２を用いて、波長λ２の光ビーム４２を、この球面収差を補正する発散光に波面変換することである。
【００６１】
本実施形態においては、第１及び第２のホログラム１、２はどちらも体積ホログラムを用いる。体積ホログラムとは屈折率分布が周期構造あるいは準周期構造を有し、厚さが周期に対して大きいホログラムである。また、準周期構造とは周期に急激な変化がなく、徐々に周期が変わるような構造を言う。体積ホログラムである第１及び第２のホログラム１、２は、屈折率分布がラジアル方向に周期構造または準周期構造を有し、中心部を除きラジアル方向に急激な周期の変化はない。これらの体積ホログラムは、例えば、フォトポリマーを用いて、公知のＡｒレーザ光（例えば、波長λ＝０．５１４５μｍまたは０．４８８μｍ）を用いた２光束干渉法により、正弦波状の屈折率分布の準周期構造を形成したものである。第１及び第２のホログラム１、２に体積ホログラムを用いることにより、例えば４５°のような大きな回折角でも、９０％以上の高い回折効率を実現することが可能になる。なお、体積ホログラムの材料としては、必ずしもファトポリマー等の感光性樹脂に限定されるものではなく、ゼラチンやフォトレフラクティブ効果のあるＦｅがドープされたＬｉＮｂＯ3、ＢｉＴｉＯ3等でもよい。
【００６２】
図２（ａ）と図３に示す第１のホログラム１は、例えば屈折率分布層の厚さがＬ１＝６μｍで、屈折率変化量Δｎ（図３の屈折率ｎ１ａとｎ１ｂの差）が０．０５５、屈折率分布の周期Λ１が０．５７μｍ前後の準周期構造をなし、フリンジ１ａは、その前方が中心方向に傾斜している。また、その傾斜角φは、回折角の半分の値、例えば２２．５°前後である。これにより、第１のホログラム１に入射した光ビーム４２は、ブラッグ回折によって例えば斜め４５°前後（θ１が４５°前後）に１次回折光として出射する。
【００６３】
第２のホログラム２は、屈折率分布層の周期Λ２とフリンジ２ａが第１のホログラム１とは異なり、平均的な回折角は第１のホログラムより小さくなっている。フリンジ２ａは、その前方が外周方向に傾斜しており、第１のホログラム１で斜め４５°前後に回折した光は第２のホログラム２の回折で光軸が戻されて、発散光になり対物レンズ１５に入射する。第２のホログラムの周期Λ２とフリンジ２ａはこの発散光が対物レンズ１５に入射し、０．６ｍｍの透明層を通して収束したときに球面収差が少なくなるように設計されている。
【００６４】
図２（ｂ）の光ビーム４２において、第１のホログラム１の点Ｐａに入射する光は中心方向（図では光の進行方向に対して左側）に回折し、この回折した光は中心軸Ｃと交差して第２のホログラム２の点Ｐｂに入射する。点Ｐｂに入射した回折光は第２のホログラム２で光軸が戻される方向（光進行方向に対して右側）に回折して、対物レンズ１５の点Ｐｃに入射し、ここで屈折する。この光はさらに出射側の点Ｐｄで屈折し、光ディスク５２を通って点Ｐ２に収束する。光ビーム４２の最内周の光は第１のホログラム１の点Ｐｅで回折し、第２のホログラム２の点Ｐｆに入射する。点Ｐｆに入射した回折光は第２のホログラム２で回折して対物レンズ１５の点Ｐｇに入射し、ここで屈折する。この光はさらに出射側の点Ｐｈで屈折し、光ディスク５２を通って点Ｐ２に収束する。また、光ビーム４２が光ディスク５２にＮＡ０．６で入射するときの第１のホログラム１の開口の最外周の光は、第１のホログラム１の点Ｐｊで回折し、第２のホログラム２の点Ｐｋに入射する。さらに、この回折光は第２のホログラム２により第１のホログラム１の点Ｐｊと同じ角度で反対方向に回折して、対物レンズ１５の点Ｐｍと点Ｐｎを通って光ディスク５２の点Ｐ２に収束する。このように、第１のホログラム１の点Ｐｊで回折した最外周の光は、第２のホログラム２の最内周に入射することが望ましい。
【００６５】
第２のホログラム２で回折した光ビーム４２を球面収差を補正する発散光にするには、例えば周期Λ１とフリンジ１ａを一定にして、周期Λ２を中心部から外周部に向かって徐々に広くし、フリンジ２ａの傾斜角を中心部から外周部に向かって徐々に大きくする構造にしても良いし、周期Λ２とフリンジ２ａを一定にして、周期Λ１を中心部から外周部に向かって徐々に細かくし、フリンジ１ａの傾斜角を中心部から外周部に向かって徐々に大きくする構造にしても良い。また、周期Λ１とフリンジ１ａ及び周期Λ２とフリンジ２ａをともに変えることによっても構成できる。また、第２のホログラム２で回折した光ビーム４２は単に発散するだけではなく球面収差を補正するよう設計されている。このように、第１のホログラム１の周期Λ１とフリンジ１ａの傾斜角及び、第２のホログラム２の周期Λ２とフリンジ２ａの傾斜角を設定することにより、光ビーム４２を効率的に発散光に波面変換できる。
【００６６】
一方、光ディスク５２の透明層の厚みは０．６ｍｍで、光ディスク５１の透明層の厚み０．１ｍｍより厚くなっており、光ディスク５２を記録再生する場合の焦点位置は光ディスク５１を記録再生する場合より光軸方向に離す必要がある。図２（ｂ）に示すような光ビーム４２の波面変換によって、球面収差を補正するとともに焦点位置を対物レンズから離すことができる。
【００６７】
上記のような体積ホログラムで第１及び第２のホログラム１、２を形成した場合、波長変化に対する回折効率の変化は図４に示すようような特性になる。図４において実線はＳ偏光の場合、波線はＰ偏光（光の電界方向が図２のｒｚ面内、ｒは半径方向）を示す。半導体レーザの波長のばらつきは±５ｎｍ程度であり、半導体レーザの波長変化に対する回折効率の変化は、円偏光で入射した場合にＰ偏光とＳ偏光の平均値になるから２〜３％程度の変化に収まり、問題ないレベルである。一方、波長λ１と波長λ２は２５０ｎｍ程度の波長差があり、波長λ２の赤色光は回折するが波長λ１の青色光が回折することはなく十分に波長選択性を持たせることができる。
【００６８】
半導体レーザから出射する光は温度や記録再生の切り替えに伴う出力の変化によりの波長が±２ｎｍ程度変化するが、本実施の形態では、第１のホログラム１からの回折光の光軸の変化分が、第２のホログラム２からの回折光の光軸の変化分と互いに相殺される方向にある。その結果、波長が変化しても第２のホログラムから出射する発散光は波長変動の影響が相殺されて、０．６ｍｍの透明層を通して絞った場合の球面収差はほとんど増加しない。
【００６９】
波長変動が生じたときの光の振る舞いについて、図５を用いて具体的に説明する。波長λ２の赤色レーザから出射した光ビーム４２は、波長変動が生じないとき（Δλ＝０）、実線で示したように、第１のホログラム１の点Ｐａで回折した光は、第２のホログラム２の点Ｐｂに入射し図のように回折され、対物レンズ１５で絞られて点Ｐ２に収束する。波長が長くなる方向（Δλ＞０）に変動したとき、波線で示したように、第１のホログラム１では回折角がΔθ＋だけ大きくなるが、第２のホログラム２において入射角がΔθ＋だけ大きくなっているため点Ｐｂ＋に入射する。その結果、点Ｐｂ＋で回折する光の方向は、Δλ＝０の時に、第１のホログラム１の点Ｐａ＋で回折し、第２のホログラム２の点Ｐｂ＋に入射する光が回折する方向と一致し、回折角の変動は相殺されて対物レンズ１５で０．６ｍｍの透明層を通して絞ったときに点Ｐ２に収束するように構成されている。
【００７０】
一方、波長が短くなる方向（Δλ＜０）に変動したときは、２点鎖線で示したように、第１のホログラム１では回折角がΔθ−だけ小さくなるが、第２のホログラム２においては入射角がΔθ−だけ小さくくなっているため、点Ｐｂ−に入射する。その結果、点Ｐｂ−で回折する光の方向は、Δλ＝０の時に、第１のホログラム１の点Ｐａ−で回折し、第２のホログラム２の点Ｐｂ−に入射する光が回折する方向と一致し、回折角の変動は相殺されて対物レンズ１５で０．６ｍｍの透明層を通して絞ったときに点Ｐ２に収束するように構成されている。このように構成された第１及び第２のホログラムを用いて波長λ２の波長がずれたときの球面収差の変化を図６に示す。図から分かるように、第１及び第２のホログラムの設計波長を６５０ｎｍとして、波長が±１０ｎｍずれたとしても、球面収差は２０ｍλｒｍｓ以下に抑えられ、十分に実用性能を満足させることができる。
【００７１】
本実施の形態においては、第１及び第２のホログラム１、２として、正弦波状の屈折率分布を有する体積ホログラムを用いた。これは図７に示すように、その１次回折効率は、屈折率変化量Δｎに依存して、入射光の偏光方向により、異なる特性を持っている。図で実線はＳ偏光の場合、波線はＰ偏光（電界方向が図２のｒｚ面内、ｒは半径方向）の場合であり、波長λ＝６５５ｎｍ、回折角θ＝４５°、厚さＬ＝６μｍ、体積ホログラムの平均の屈折率ｎ＝１．５３、フリンジ傾斜角φ＝θ／２とした。なお、黒丸と三角は実測値を示している。これから分かるように、本実施形態のように円偏光で入射する場合は、屈折率変化量ΔｎはＳ偏光とＰ偏光の特性が交差する０．０５５程度が良く、直線偏光で入射するような光学系ではその偏光にあわせることが望ましい。
【００７２】
なお、本実施の形態においては、第１及び第２のホログラム１、２として、屈折率分布を有する体積ホログラムを用いた場合を例に説明したが、表面レリーフ型のホログラムでも動作は可能である。ただし、その場合には、大きな回折角と高い回折効率の両立が困難となる。
【００７３】
また、本実施の形態においては、第１及び第２のホログラム１、２を透明平行板１０の両面に形成したが、それぞれ別の透明平行板に形成して組み合わせても問題ない。
【００７４】
光ディスク５１を光ビーム４１によって記録再生するときの開口数ＮＡ１（ＢＤの場合０．８５）と、また、光ディスク５２を光ビーム４２によって記録再生するときの開口数ＮＡ２（ＤＶＤの場合０．６）は異なり、ＮＡ１＞ＮＡ２であるため、光ビーム４２を第１のホログラムまたは第２のホログラムで開口制限して、最適なＮＡに設定することが望ましい。図８は第１のホログラムで開口制限する場合であり、第１のホログラム５は体積ホログラムが直径Ｄ０の範囲に形成され、それ以外の部分は透過するか、または収束点Ｐ２に影響を与えない程度に回折するよう構成されている。直径Ｄ０をＮＡ０．６になうよう設定することにより点Ｐ２に収束する光ビーム４２を開口制限することができる。
【００７５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を図９を用いて説明する。本実施の形態は、実施の形態１の第１のホログラムと第２のホログラムのみを変更するものである。なお、図９（ａ）は第１のホログラムの平面図であり、図９（ｂ）は第１及び第２のホログラムおよび対物レンズの側面図を示す図である。図で６の第１のホログラムと７の第２のホログラムは透明平行板１０の面上に形成され、赤色光を回折するよう構成され、第１及び第２のホログラム６、７はどちらも体積ホログラムを用いる。また第１及び第２のホログラム６、７と透明平行板１０および対物レンズ１５は鏡筒に取り付けられている。対物レンズ１５は実施の形態１同様に波長λ１の光ビーム４１を透明層０．１ｍｍの光ディスクを通して絞ったときに球面収差が少なくなるよう設計されており、波長λ２の光ビームを透明層０．６ｍｍの光ディスクを通して絞ったときには球面収差が発生する。本実施の形態は、第１及び第２のホログラム６、７を用いて、波長λ２の光ビーム４２を、前記球面収差が補正されるような発散光に波面変換するとともに、光ビーム４２の取り込み率を向上させることである。
【００７６】
光ディスク５２を光ビーム４２によって記録再生するときの開口数ＮＡ２は、光ディスク５１を光ビーム４１によって記録再生するときの開口数ＮＡ１より小さいため、例えば図８の第１のホログラム５のように直径Ｄ０で開口制限することになる。しかし、開口数ＮＡ１と開口数ＮＡ２の違いにより、点Ｐ２に収束する光ビーム４２は光ビーム４１との面積比較で半分程度になる。青色レーザ１１から出射する光の放射角も赤色レーザ１２から出射する光の放射角も同程度であり、光ビーム４２は前記面積分だけ取り込み率が悪化する。このため、このように１つの対物レンズ１５により光ディスク５１と５２を記録再生する互換ヘッドでは光ディスク５２の記録速度を落とさざるを得ない。今、ＤＶＤでは高速にデータを転送するため、標準記録再生に対して８倍、１６倍の高倍速化がなされつつある。光の取り込み率が悪いとこの倍速が得られなくなり商品価値が低下する。このため、本実施形態では図のように、第１のホログラム６に入射するときの光ビーム４２のビーム径Ｄ１を、第２のホログラム７に入射するときの光ビーム４２のビーム径Ｄ２径より大きくなるよう、第１及び第２のホログラム６、７を構成することにより、開口数ＮＡ２を維持してより多くの光を取り込み、光ビーム４２の取り込み率を向上させる。
【００７７】
第１のホログラム６のフリンジ６ａは、その前方が中心方向に傾斜しており、例えば周期Λ６は中心部から外周部に向かって徐々に細かくなり、フリンジ６ａの傾斜角を中心部から外周部に向かって徐々に大きくする構造となっている。また、第２のホログラム７のフリンジ７ａは、その前方が外周方向に傾斜している。第１のホログラム６に入射した光ビーム４２は、ブラッグ回折によって最内周では例えば斜め４５°に１次回折光を出射し、外周に向かって徐々に回折角が大きくなり、最外周部では例えば斜め５５°に１次回折光を出射する。これにより、光ビーム４２がＮＡ２でＰ２に収束するときの第１のホログラム６の開口が、光ビーム４１の開口と同程度になるよう設定される。体積ホログラムは１次回折光の角度を６０°まで増加しても回折効率は９０％以上確保できるため、５５°程度では回折効率の問題はない。また、この回折角度は、対物レンズ１５の設計、第１のホログラム６の最内周の回折角度、透明平行板１０の厚み等の設定によっても変わり、光学系に最適な設計をすることが望ましい。これをさらに説明すると、光ビーム４２の最内周の光は第１のホログラム６の点Ｐｏで回折し、第２のホログラム７の点Ｐｐに入射する。さらに、この回折光は第２のホログラム７において回折して対物レンズ１５の点Ｐｑに入射し、ここで屈折してさらに点Ｐｒで屈折し光ディスク５２を通って点Ｐ２に収束する。また、光ビーム４２が光ディスク５２にＮＡ０．６で入射するときの第１のホログラム６の開口の最外周の光は、第１のホログラム６の点Ｐｓにおいて最内周より大きな角度で回折し、第２のホログラム７の点Ｐｔに入射する。さらに、この回折光は第２のホログラム７により第１のホログラム６の点Ｐｓと同じ角度で反対方向に回折して対物レンズ１５の点Ｐｕと点Ｐｖを通って光ディスク５２の点Ｐ２に収束する。第２のホログラム７の中心部Ｐｔと外周部Ｐｐの入射角と出射角は異なり、周期Λ７とフリンジ７ａはこれに対応して設計されている。この結果、第２のホログラム７で回折した光ビーム４２は単に発散光になるだけではなく球面収差を補正されて対物レンズ１５で収束される。ここで説明したように、第１のホログラム６の点Ｐｓで回折した最外周の光は、第２のホログラム７の最内周に入射することが望ましい。
【００７８】
また、光ディスク５２の透明層は、光ディスク５１の透明層より厚くなっており、光ディスク５２を記録再生する場合の焦点位置は光ディスク５１を記録再生する場合より光軸方向に離す必要がある。図９に示すように光ビーム４２を波面変換によって、球面収差を補正するとともに焦点位置を対物レンズ１５から離すことができる。また、半導体レーザから出射する光は温度や記録再生の切り替えに伴う出力の変化によりの波長が±２ｎｍ程度変化するが、本実施の形態では、第１の実施形態同様に第１のホログラム６の光軸の変化分が、第２のホログラム７からの回折光の光軸の変化分と互いに相殺される方向にあり、波長が変化しても第２のホログラム７から出射する発散光は波長変動の影響が相殺されて、０．６ｍｍの透明層を通して絞った場合の球面収差はほとんど増加しない。
【００７９】
このように、本実施形態によれば、開口数ＮＡ２が開口数ＮＡ１より小さくても、第１のホログラム６に入射する光ビーム４２を大きな範囲で取り込むことができ、取り込み率を向上させることが可能になる。この結果、１つの対物レンズを用いた互換ヘッドであっても、高倍速記録への対応も可能になる。
【００８０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の光ヘッドを図１０から図１２を用いて説明する。図１０は同実施の形態における光ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図、図１１（ａ）は第３のホログラムの平面図であり、図１１（ｂ）は第１から第４のホログラムおよび対物レンズの側面図、図１２（ａ）は波長λ３の入射光をＮＡに合わせて開口制限したときの第３のホログラムの平面図であり図１２（ｂ）はそのときの第１から第４のホログラムと対物レンズの側面図を示す。
【００８１】
図１０において、３は第３のホログラム、４の第４のホログラムで、１３は波長λ３（略７８０ｎｍ）の赤外レーザである。本実施形態は、第１の実施形態に、第３及び第４のホログラム３、４と赤外レーザ１３及びビームスプリッター３２を追加したものである。また、ビームスプリッター３０、３１と波長板３３は図１のビームスプリッター１７、１８と波長板１９を波長λ１とλ２及びλ３の光に対応するよう変更したものである。なお、図１と図１０で同番号のものは同じ働きをする。
【００８２】
第１のホログラム１と第３のホログラム３は透明平行板上１０の同一面に形成され、第２のホログラム３と第４のホログラム４は透明平行板上１０の他の同一面に形成されており、第１及び第２のホログラム１、２は波長λ２の赤色光を回折し、第３及び第４のホログラム３、４は波長λ３の赤外光を回折する。また、第１から第４のホログラム１〜４と透明平行板１０及び対物レンズ１５は１６の鏡筒に取り付けられ、鏡筒１６はアクチュエータにより光ディスクに設けられたトラックに追従するよう構成されている。５３は透明層の厚みｔ３が約１．２ｍｍで、波長λ３の光ビームによって記録再生される光情報媒体、例えばＣＤ用の光ディスクである。
【００８３】
記録密度の高い光ディスク５１を記録再生する際には、青色レーザ１１から出射した波長λ１の光ビーム４１がビームスプリッター３０により反射され、コリメートレンズ１４によって略平行光になり、波長板３３によって円偏光になる。波長板３３は波長λ１、λ２、λ３に対して略１／４波長板として作用するよう設計されている。円偏光になった光ビーム４１は、第１及び第３のホログラム１、３と透明平行板１０と第２及び第４のホログラム２、４を透過し、屈折型の対物レンズ１５によって厚さ約０．１ｍｍの透明層を通して光ディスク５１の情報記録面に収束される。光ディスク５１の情報記録面で反射した光ビーム４１は、もとの光路を逆にたどり波長板３３によって往路に対して直角方向の直線偏光になり、ビームスプリッター３０を透過して、ビームスプリッター３１で反射される。このビームスプリッター３０は、波長λ１の光ビームに関しては、１方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する。また、後で述べるように、波長λ２の光ビーム４２と波長λ３の光ビームは偏光に関係なく透過する。このようにビームスプリッター３０は偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子であり、このような特性になるよう光学多層膜３０ａが形成されている。ビームスプリッター３１で反射した光ビーム４１は、検出レンズ２０によって非点収差を与えられ、光検出器２１に入射する。光検出器２１の出力を演算することによって、フォーカス制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。
【００８４】
次に、光ディスク５２の記録再生を行う際には、赤色レーザ１２から出射した波長λ２の光ビーム４２がビームスプリッター３２、３１、３０を透過し、コリメートレンズ１４によって略平行光になり、波長板３３によって円偏光になる。ビームスプリッター３２は波長λ２の赤色光を透過し、波長λ３の赤外光を反射する。円偏光になった光ビーム４２は、第１のホログラム１で回折し透明平行板１０を介して、第２のホログラム２で第１のホログラム１とは反対方向に回折し、対物レンズ１５によって厚さ約０．６ｍｍの透明層を通して光ディスク５２の情報記録面に収束される。光ディスク５２の情報記録面で反射した光ビーム４２はもとの光路を逆にたどって、波長板３３によって往路に対して直角方向の直線偏光となり、ビームスプリッター３０を透過して、ビームスプリッター３１で反射される。ビームスプリッター３１は波長λ２と波長λ３の光に対して、１方向の直線偏光を透過し、それと直角方向の直線偏光を反射し、波長λ１の光は偏光に関係なく反射する。よって、ビームスプリッター３１は偏光特性と波長選択性を持った光路分岐素子であり、このような特性になるよう光学多層膜３１ａが形成されている。ビームスプリッター３１で反射した光ビーム４２は、検出レンズ２０によって非点収差を与えられ、光検出器２１に入射し、サーボ信号及び、情報信号を得る。
【００８５】
次に、光ディスク５３を記録再生する際には、赤外レーザ１３から出射した波長λ３の光ビーム４３がビームスプリッター３２で反射し、ビームスプリッター３１、３０を透過しコリメートレンズ１４によって略平行光となり、波長板３３によって円偏光になる。円偏光になった光ビーム４３は第３のホログラム３で回折し透明平行板１０を介して、第４のホログラム４で第３のホログラム３とは反対方向に回折し、対物レンズ１５によって厚さ約１．２ｍｍの透明層を通して光ディスク５３の情報記録面に収束される。光ディスク５３の情報記録面で反射した光ビーム４３はもとの光路を逆にたどって、波長板３３によって往路に対して直角方向の直線偏光となり、ビームスプリッター３０を透過し、ビームスプリッター３１で反射される。ビームスプリッター３１で反射した光ビーム４３は、検出レンズ２０によって非点収差を与えられ、光検出器２１に入射し、サーボ信号及び、情報信号を得る。
【００８６】
本実施形態においては、第１及び第２のホログラム１、２と第３及び第４のホログラム３、４はすべて体積ホログラムを用いる。また、第１及び第２のホログラム１、２は第１の実施形態と同じ働きをし、波長λ２の光ビームを透明層０．６ｍｍの光ディスクを通して絞ったときには球面収差が補正されるような発散光に波面変換する。さらに、波長λ２の光ビーム４２は第３及び第４のホログラム３、４では回折せずに透過し、影響を受けない。
【００８７】
次に体積ホログラムである第３及び第４のホログラム３、４は、屈折率分布がラジアル方向に周期構造又は準周期構造を有し、屈折率分布層の厚さＬ３、Ｌ４、屈折率変化量Δｎ、周期Λ３、Λ４は赤外光を回折させるように設計され、フリンジ３ａは、その前方が中心方向に傾斜しており、実施の形態１のように、例えば４５°のような大きな回折角でも、高い回折効率を実現することが可能になる。これにより、第３のホログラム３に入射した光ビーム４３は、ブラッグ回折によって１次回折光として出射する。第４のホログラム４は、屈折率分布層の周期Λ４とフリンジ４ａが第３のホログラム３と異なり、平均的な回折角は第３のホログラムより小さくなっている。フリンジ４ａは、その前方が外周方向に傾斜しており、第３のホログラム３で斜めに回折した光ビーム４３は第４のホログラム４の回折で光軸が戻されて、発散光になり対物レンズ１５に入射する。第４のホログラムの周期Λ４とフリンジ４ａの傾斜はこの発散光が対物レンズに入射し、１．２ｍｍの透明層を通して収束したときに球面収差が少なくなるように設計されている。
【００８８】
図１１の光ビーム４３において、第３のホログラム３の点Ｑａに入射する光は中心方向に回折し、この回折した光は中心軸Ｃと交差して第４のホログラム４の点Ｑｂに入射する。点Ｑｂに入射した回折光は第４のホログラム４で光軸が戻される方向に回折して、対物レンズ１５の点Ｑｃに入射し、ここで屈折した光はさらに出射側の点Ｑｄで屈折し、光ディスク５３を通って点Ｐ３に収束する。光ビーム４３の最内周の光は第３のホログラム３の点Ｑｅで回折し、第４のホログラム４の点Ｑｆに入射する。さらに、この回折光は第４のホログラム４で回折して対物レンズ１５の点Ｑｇに入射し、ここで屈折してさらに出射側の点Ｑｈで屈折し、光ディスク５３を通って点Ｐ３に収束する。また、光ビーム４３が光ディスク５３にＮＡ０．４５で入射するときの第３のホログラム３の開口の最外周の光は、第３のホログラム３の点Ｑｊで回折し、第４のホログラム４の点Ｑｋに入射する。さらに、この回折光は第４のホログラム４により第３のホログラム３の点Ｑｊと同じ角度で反対方向に回折して、対物レンズ１５の点Ｐｍと点Ｐｎを通って光ディスク５２の点Ｐ２に収束する。このように、第３のホログラム３の点Ｑｊで回折した最外周の光は、第４のホログラム４の最内周に入射することが望ましい。
【００８９】
第４のホログラム４で回折した光ビーム４３は球面収差を補正する発散光になるよう設計されている。例えば周期Λ３とフリンジ３ａを一定にして、周期Λ４を中心部から外周部に向かって徐々に広くし、フリンジ４ａの傾斜角φを中心部から外周部に向かって徐々に大きくすることにより構成できるし、周期Λ４とフリンジ４ａを一定にして、周期Λ３を中心部から外周部に向かって徐々に細かくし、フリンジ１ａの傾斜角を中心部から外周部に向かって徐々に大きくする構造にしても良い。また、周期Λ３とフリンジ３ａ及び周期Λ４とフリンジ４ａの両方変化させても構成できる。このように、第３のホログラム３と第４のホログラム４を設定することにより、光ビーム４３を効率的に発散光に波面変換できる。
【００９０】
一方、光ディスク５３の透明層の厚みは１．２ｍｍで、光ディスク５１の透明層の厚み０．１ｍｍより厚くなっており、光ディスク５３を記録再生する場合の焦点位置は光ディスク５１を記録再生する場合より光軸方向に離す必要がある。図に示すように光ビーム４３を波面変換によって、球面収差を補正するとともに焦点位置を対物レンズ１５から離すことができる。
【００９１】
上記のような体積ホログラムで第３及び第４のホログラム３、４を形成した場合、波長変化に対する回折効率の変化は実施の形態１の図４と同様な特性になり、半導体レーザの波長のばらつきが±５ｎｍ程度であれば、円偏光で入射した場合にＰ偏光とＳ偏光の平均値で２〜３％程度の変化に収まる。一方、図４に示すように、波長λ３と波長λ２は１３０ｎｍ程度の波長差があるため、波長λ３の赤外光は回折するが波長λ２の赤色光が回折することはなく十分に波長選択性を持たせることができる。
【００９２】
半導体レーザから出射する光は温度や記録再生の切り替えに伴う出力の変化によりの波長が±２ｎｍ程度変化するが、本実施の形態では、実施の形態１同様に第３のホログラム３の光軸の変化分が、第４のホログラム４からの回折光の光軸の変化分と互いに相殺される方向にあり、波長が変化しても第４のホログラム４から出射する発散光は波長変動の影響が相殺されて、１．２ｍｍの透明層を通して絞った場合の球面収差はほとんど増加しない。
【００９３】
このように、波長λ１の青色光が厚み０．１ｍｍの透明層を通して収束したときに球面収差が少なくなるように設計された対物レンズ１５を用いて、波長λ２の赤色光が厚み０．６ｍｍの透明層を通して収束するときに対物レンズ１５で発生する球面収差を第１及び第２のホログラム１、２で補正し、波長λ３の赤外光が厚み１．２ｍｍの透明層を通して収束するときに対物レンズ１５で発生する球面収差を第３及び第４のホログラム３、４で補正することにより、厚みの異なる３つの透明層に対応した光ヘッドを作ることができる。よって、ＢＤ用の光ディスクとＤＶＤ用の光ディスク及びＣＤ用の光ディスクを１つの光ヘッドで記録再生することが可能になった。
【００９４】
なお、本実施の形態においては、第１から第４のホログラムとして、屈折率分布を有する体積ホログラムを用いた場合を例に説明したが、表面レリーフ型のホログラムでも動作は可能である。ただし、その場合には、大きな回折角と高い回折効率の両立が困難となる。
【００９５】
また、本実施の形態においては、第３及び第４のホログラム３、４を透明平行板１０の両面に形成したが、それぞれ別の透明平行板に形成して組み合わせても問題ない。
【００９６】
一方、光ディスク５１を光ビーム４１によって記録再生するときの開口数ＮＡ１（ＢＤの場合０．８５）と、光ディスク５２を光ビーム４２によって記録再生するときの開口数ＮＡ２（ＤＶＤの場合０．６）及び光ディスク５３を光ビーム４３によって記録再生するときの開口数ＮＡ３（ＣＤの場合０．４５）は異なり、ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３であるため、光ビーム４３を第３のホログラムまたは第４のホログラムで開口制限して、最適なＮＡに設定することが望ましい。図１２は第１のホログラム５で光ビーム４２を開口制限し、第３のホログラム２３で光ビーム４３を開口制限する場合であり、第１のホログラム５は体積ホログラムが直径Ｄ０の範囲に形成され、第３のホログラム２３は体積ホログラムが直径Ｄ９の範囲に形成されており、それ以外の部分は透過するか、または収束に影響を与えない程度に回折するよう構成されている。直径Ｄ０をＮＡ０．６になうよう設定することにより点Ｐ２に収束する光ビーム４２を開口制限することができ、直径Ｄ９をＮＡ０．４５になうよう設定することにより点Ｐ３に収束する光ビーム４３を開口制限することができる。
【００９７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４を図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は第３のホログラムの平面図であり、図１３（ｂ）は第１から第４のホログラムと対物レンズの側面図を示す図である。本実施の形態は、実施の形態３の第１及び第２のホログラムと第３及び第４のホログラムのみを変更するものである。図で第１及び第２のホログラム６、７と第３及び第４のホログラム８、９は透明平行板１０上に形成され、すべて体積ホログラムを用いている。第１及び第２のホログラム６、７は波長λ２の光ビームを透明層０．６ｍｍの光ディスクを通して絞ったときの球面収差を補正し、第３及び第４のホログラム８、９は波長λ３の光ビームを透明層１．２ｍｍの光ディスクを通して絞ったときの球面収差を補正している。また、第１及び第２のホログラム６、７は第２の実施形態と同じものであり、同じ働きをする。つまり、光ディスク５１に光ビーム４１を収束するときのと開口数ＮＡ１（ＢＤの場合０．８５）と、光ディスク５２に光ビーム４２を収束するときの開口数ＮＡ２（ＤＶＤの場合０．６０）は異なるが、第１のホログラム６に波長λ２の光ビーム４２が入射するときの開口を、波長λ１の光ビーム４１と同程度にして、光ビーム４２の取り込み率を向上させている。
【００９８】
次に、図１３を用いて第３のホログラム８と第４のホログラム９の動作を説明する。光ディスク５３を光ビーム４３によって記録再生するときの開口数ＮＡ３（ＣＤの場合０．４５）は、開口数ＮＡ１より小さいため、点Ｐ３に収束する光ビーム４３の光量が少なくなる。光ビーム４３は光ビーム４１との面積比較で１／３．６程度である。光ビーム４３はこの面積分だけ光の取り込み率が悪くなる。このため、１つの対物レンズにより光ディスク５１と５３を記録再生する互換ヘッドでは光ディスク５３の記録速度を落とさざるを得ない。ＣＤでは高速にデータを転送するため、標準記録速度に対して２４倍、３２倍の高倍速化がなされており、光の取り込み率が悪いとこの倍速が得られなくなり商品価値が低下する。このため、本実施形態では図のように、第３のホログラム８に入射するときの光ビーム４３の直径Ｄ３を、第４のホログラム９に入射するときの光ビーム４３の直径Ｄ４径より大きくなるよう、第３及び第４のホログラム８、９を構成することにより、開口数ＮＡ３を維持してより多くの光を取り込むことができるようにするものである。
【００９９】
これをさらに説明すると、まず、第３のホログラム８のフリンジ８ａは前方が中心方向に傾斜し、第４のホログラム９のフリンジ９ａは前方が外周方向に傾斜している。まず、光ビーム４３の最内周の光は第３のホログラム８の点Ｑｏで回折し、第４のホログラム９の点Ｑｐに入射する。さらに、この回折光は第４のホログラム９により回折して対物レンズ１５の点Ｑｑに入射し、ここで屈折してさらに点Ｑｒで屈折し光ディスク５３を通って点Ｐ３に収束する。また、光ビーム４３が光ディスク５３にＮＡ０．４５で入射するときの第３のホログラム８の開口の最外周の光は、第３のホログラム８の点Ｑｓにおいて最内周より大きな角度で回折し、第４のホログラム９の点Ｑｔに入射する。さらに、この回折光は第４のホログラム９により第３のホログラム８の点Ｑｓと同じ角度で反対方向に回折して対物レンズ１５の点Ｑｕと点Ｑｖを通って光ディスク５３の点Ｐ３に収束する。ここで、第３のホログラム８の中心部Ｑｏと外周部Ｑｓの出射角は異なるため、周期Λ８は中心部から周辺部へ徐々に細かくなり、フリンジ８ａは中心部から周辺部へ徐々に傾斜角φが大きくなるように設計されている。また、第４のホログラム９の中心部Ｑｔと外周部Ｑｐの入射角と出射角は異なり、周期Λ９とフリンジ９ａはこれに対応して設計されている。さらに、第４のホログラム９から出射した光ビーム４３は発散光になるだけではなく球面収差が補正されて透明層１．２ｍｍを通して点Ｐ３に収束されるよう設計されている。また、第３のホログラム８の点Ｑｓで回折した最外周の光は、第４のホログラム９の最内周に入射することが望ましい。
【０１００】
このように、第３のホログラム８の周期Λ３とフリンジ８ａの傾斜角及び、第４のホログラム９の周期Λ９とフリンジ９ａの傾斜角を設定することにより、光ビーム４３を効率的に発散光に波面変換できる。また、実施の形態３同様に、波長変化に対しても、第３のホログラム８からの回折光の光軸の変化分が、第４のホログラム９からの回折光の光軸の変化分と互いに相殺され、１．２ｍｍの透明層を通して絞った場合の球面収差はほとんど増加しない。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態によれば、開口数ＮＡ１の光ビーム４１が第１のホログラムに入射するときの光束径と、開口数ＮＡ２の光ビーム４２が第１のホログラムに入射するときの光束径及び、開口数ＮＡ３の光ビーム４３が第１のホログラムに入射するときの光束径をほぼ同等にすることができる。このため、ＮＡの違いによる光の取り込み率の劣化を防ぐことができる。
【０１０２】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５を図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は第３のホログラムの平面図であり、図１４（ｂ）は第１から第４のホログラムと対物レンズの側面図を示す図である。本実施の形態は、実施の形態３の第１及び第２のホログラムと第３及び第４のホログラム及び対物レンズを変更するものである。図で第１及び第２のホログラム２４、２５と第３及び第４のホログラム２６、２７は透明平行板１０上に形成され、すべて体積ホログラムを用いている。対物レンズ２８は例えばＮＡが０．７〜０．７５で、波長λ２の光ビームを０．６ｍｍの透明層を通して絞ったときに球面収差が少なくなるように設計されている。
【０１０３】
第１及び第２のホログラム２４、２５は波長λ１の青色光を回折し、第３及び第４のホログラム２６、２７は波長λ３の赤外光を回折する。波長λ２の光ビーム４２は第１及び第２のホログラム２４、２５と第３及び第４のホログラム２６、２７では回折せずに透過し、ホログラムの影響を受けない。また、波長λ２の光ビーム４２はＮＡが０．６になるよう開口制限（図示せず）されて透明層０．６ｍｍの光ディスク５２に収束する。第１及び第２のホログラム２４、２５は波長λ１の光ビーム４１を対物レンズ２８により透明層０．１ｍｍの光ディスクを通して絞ったときに球面収差が補正されるような収束光に波面変換され、第１及び第２のホログラム２４、２５の回折によるレンズ効果と対物レンズ２８のＮＡを組み合わせたときにＮＡが０．８５になるよう構成されている。第３及び第４のホログラム２６、２７は波長λ３の光ビーム４３を対物レンズ２８により透明層１．２ｍｍの光ディスクを通して絞ったときに球面収差が補正されるような発散光に波面変換される。
【０１０４】
第１及び第２のホログラム２４、２５は屈折率分布がラジアル方向に周期構造又は準周期構造を有している。第１のホログラム２４の周期Λ２４とフリンジ２４ａは青色の光ビーム４１を中心軸Ｃ方向に回折させるよう設定され、フリンジ２４ａは、その前方が中心方向に傾斜している。第２のホログラム２５の周期Λ２５とフリンジ２５ａは平均的な回折角が第１のホログラム２４より大きくなるよう設定され、第１のホログラム２４で斜めに回折した光ビーム４１の光軸を戻すように回折し、収束光となって対物レンズ２８に入射する。フリンジ２５ａは、その前方が外周方向に傾斜している。
【０１０５】
図１４の光ビーム４１において、第１のホログラム２４の点Ｏａに入射する光は中心方向に回折し、この回折した光は中心軸Ｃと交差して第２のホログラム２５の点Ｏｂに入射する。点Ｏｂに入射した回折光は第２のホログラム２５で光軸が戻される方向に回折して、対物レンズ２８の点Ｏｃに入射し、ここで屈折した光はさらに出射側の点Ｏｄで屈折し、光ディスク５１を通って点Ｐ１に収束する。光ビーム４１の最内周の光は、第１のホログラム２４の点Ｏｅで回折し、第２のホログラム２５の点Ｏｆに入射する。さらに、この回折光は第２のホログラム２５で回折して対物レンズ２８の点Ｏｇに入射し、ここで屈折してさらに出射側の点Ｏｈで屈折し、光ディスク５１を通って点Ｐ１に収束する。また、光ビーム４１が光ディスク５１にＮＡ０．８５で入射するときの第１のホログラム２４の開口の最外周の光は、第１のホログラム２４の点Ｏｊで回折し、第２のホログラム２５の点Ｏｋに入射する。さらに、この回折光は第２のホログラム２５により第１のホログラム２４の点Ｏｊと同じ角度で反対方向に回折して、対物レンズ２８の点Ｏｍと点Ｏｎを通って光ディスク５１の点Ｐ１に収束する。このように、第１のホログラム２４の点Ｏｊで回折した最外周の光は、第２のホログラム２５の最内周に入射することが望ましい。
【０１０６】
第２のホログラム２５で回折した光ビーム４１は球面収差を補正する収束光になるよう設計されている。例えば周期Λ２４とフリンジ２４ａを一定にして、周期Λ２５を中心部から外周部に向かって徐々に細かくし、フリンジ２５ａの傾斜角φを中心部から外周部に向かって徐々に小さくすることにより構成できるし、周期Λ２４とフリンジ２４ａ及び周期Λ２５とフリンジ２５ａの両方変化させても構成できる。
【０１０７】
また、波長変化に対する回折効率の変化は実施の形態１と同様であり、半導体レーザの波長のばらつきが±５ｎｍ程度であれば、２〜３％程度の変化に収まる。さらに、波長λ１と波長λ２は２５０ｎｍ程度の波長差があるため、第１及び第２のホログラム２４、２５は波長λ１の青色光は回折するが波長λ２の赤色光は回折することなく十分に波長選択性を持たせることができる。
【０１０８】
さらに、波長変化があっても本実施の形態では、実施の形態１同様に第１のホログラム２４の光軸の変化分が、第２のホログラム２５からの回折光の光軸の変化分と互いに相殺される方向にあり、波長が変化しても第２のホログラム２５から出射する収束光は波長変動の影響が相殺されて、０．１ｍｍの透明層を通して絞った場合の球面収差はほとんど増加しない。
【０１０９】
一方、第３及び第４のホログラム２６、２７は、実施の形態３の第３及び第４のホログラム３、４と同様な働きをし、光ビーム４３を対物レンズ２８により透明層１．２ｍｍの光ディスクを通して絞ったときに球面収差が補正される。しかし、実施の形態３とは対物レンズが異なるため補正する球面収差が異なっている。つまり、実施の形態１の対物レンズ１５は透明層０．１ｍｍに最適化され、本実施の形態の対物レンズ２８は透明層０．６ｍｍに最適化されているため、本実施の形態では第３及び第４のホログラム２６、２７の補正すべき収差量は少なくなる。よって、第３及び第４のホログラム２６、２７の屈折率分布層の周期及びフリンジの変化量が少なくなり、製造誤差、設定誤差に強くなる。また、対物レンズ２８のＮＡは実施の形態３の対物レンズ１５のＮＡより小さくなり、製造公差が拡大して歩留まりが向上し、コスト低減を図ることができる。このように、本実施の形態では、対物レンズの最適な透明層の厚みを、３種類の光ディスクの中間に合わせることにより、補正すべき球面収差の最大値を減らすことができ、より製造しやすい構成にすることができる。
【０１１０】
以上のように本実施形態では、波長λ２の赤色光が厚み０．６ｍｍの透明層を通して収束したときに球面収差が少なくなるように設計された対物レンズ２８を用いて、波長λ１の青色光が厚み０．１ｍｍの透明層を通して収束するときに対物レンズ２８で発生する球面収差を第１及び第２のホログラム２４、２５で補正し、波長λ３の赤外光が厚み１．２ｍｍの透明層を通して収束するときに対物レンズ２８で発生する球面収差を第３及び第４のホログラム２６、２７で補正することにより、厚みの異なる３つの透明層に対応した光ヘッドを作ることができる。
【０１１１】
さらに、本実施の形態においても実施の形態４のように、第１及び第２のホログラムの周期とフリンジの傾斜角と、第３及び第４のホログラムの周期とフリンジの傾斜角を設定することにより、開口数ＮＡ１で波長λ１の光ビーム４１が第１のホログラムに入射するときの光束径と、開口数ＮＡ２で波長λ２の光ビーム４２が第１のホログラムに入射するときの光束径及び、開口数ＮＡ３で波長λ３の光ビーム４３が第１のホログラムに入射する光束径をほぼ同等にすることができる。このため、ＮＡの違いによる光の取り込み率の劣化を防ぐことができる。
【０１１２】
本発明では、上記の構成により、異種ディスクの互換を実現でき、波長の変化に対しても、安定に情報の再生や記録を行うことができる。また、第１のホログラムに入射する各光ビームの直径をほぼ同等になるよう構成することによりＮＡの差による光を取り込み率の劣化を防ぐことができる。したがって、体積ホログラムを用いることで、異種ディスクの互換と光の取り込み率の課題を一挙に解決することができるという顕著な効果を有する。
【０１１３】
ここで重要な点は、体積ホログラムを用いて、１つの波長に作用し、他の２つの波長には作用しない波長選択性をもったホログラムを実現し、回折効率が大きくなるよう構成してレンズ作用を持たせ互換をとるところにある。このため、それ以外に説明する構成、例えばビームスプリッターや検出レンズ、検出ホログラムは必須のものではなく、望ましい構成としてそれぞれ効果を有するものの、それ以外の構成も適宜使用可能である。第１から第５の実施形態おいて、３ビーム格子（回折素子）を導入することによりトラッキングエラー信号をよく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって検出することも可能である。また、アナモフィックプリズムやビーム整形レンズを用いて青色レーザからの楕円形状の光分布を円形状に変換する構成を設けることにより遠視野像を光軸を中心に点対称形に近い強度分布に近づけることができ、光の利用効率の向上を図ることができる。
【０１１４】
また、図１又は図１０のコリメートレンズ１４を光軸方向（図の矢印方向）へ動かすことにより光ビームの平行度を変化させることも有効である。透明層の厚さ誤差や、光ディスク５１が２層ディスクの場合に層間厚さに起因する透明層の厚みさがあると球面収差が発生するが、コリメータ１４を光軸方向に動かすことによってその球面収差を補正することができる。このように、コリメータ１４を動かすことによる球面収差の補正は、光ディスクに対する収束光のＮＡが０．８５の場合に数１００ｍλ程度可能であり、±３０μｍの透明層の厚みさを補正することもできる。しかし、透明層の厚み０．１ｍｍに対応した対物レンズ１５を用いて、ＤＶＤやＣＤの球面収差を補正する能力は無く、本実施形態のような波面変換が必要である。
【０１１５】
（実施の形態６）
本発明の光ヘッドを用いた光情報装置の実施の形態を、図１５に示す。図１５において光ディスク５１は、ターンテーブル８４に乗せられ、モータ８３によって回転される。第１から実施の形態４に示した光ヘッド８１は、光ディスク５１の所望の情報の存在するトラックのところまで、光ヘッドの駆動装置８０によって移送される。
【０１１６】
光ヘッド８１は、光ディスク５１との位置関係に対応して、フォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号を電気回路８２へ送る。電気回路８２はこの信号に対応して、光ヘッド８１へ、対物レンズを微動させるための信号を送る。この信号によって、光ヘッド８１は、光ディスク５１に対してフォーカス制御とトラッキング制御とを行い、光ヘッド８１によって、情報の読み出し、書き込み又は消去を行う。
【０１１７】
以上の説明は、搭載する光ディスクを光ディスク５１より透明層の厚い光ディスク５２、５３に交換しても同様である。本実施の形態の光情報装置は、光ヘッドとして、前記本発明の光ヘッドを用いるので、１つの光ヘッドにより、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。
【０１１８】
（実施の形態７）
本実施の形態は、前記実施の形態５に係る光情報装置８６を具備したコンピュータの実施の形態である。図１６は、本実施の形態に係るコンピュータの斜視図である。
【０１１９】
本図に示したコンピュータ８８は、実施の形態６に係る光情報装置８６と、情報の入力を行うためのキーボード９０とマウス９１などの入力装置と、入力装置から入力された情報や、光情報装置８６から読み出した情報などに基づいて演算を行う中央演算装置（ＣＰＵ）などの演算装置８７と、演算装置８７によって演算された結果などの情報を表示するブラウン管や液晶表示装置、プリンターなどの出力装置８９とを備えている。
【０１２０】
本実施の形態に係るコンピュータは、前記実施の形態５に係る光情報装置８６を具備しており、異なる種類の光ディスクを安定に記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。
【０１２１】
（実施の形態８）
本実施の形態は、前記実施の形態５に係る光情報装置８６を具備した光情報媒体レコーダーの実施の形態である。図１７は、本実施の形態に係る光ディスクレコーダーの斜視図である。
【０１２２】
本図に示した光ディスクレコーダー９４は、実施の形態５に係る光情報装置８６と、画像情報を光情報装置８６によって光ディスクへ記録する情報に変換する画像から情報への変換装置９３（例えばエンコーダー）を備えている。
【０１２３】
光情報装置８６から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像への変換装置９２（デコーダー）も有することが望ましい。この構成によれば、既に記録した部分を再生することも可能となる。さらに、情報を表示するブラウン管、液晶表示装置又はプリンターなどの出力装置８９を備えてもよい。
【０１２４】
本実施の形態に係る光ディスクレコーダーは、前記実施の形態５に係る光情報装置８６を具備しており、異なる種類の光ディスクを安定に記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
以上のように、本発明によれば、異なる種類の光ディスクの互換再生や互換記録を１つの対物レンズを用いて実現し、光ディスクが異なっても光の伝達効率が確保でき、替え時などの波長変化に際して球面収差の発生を抑制して、安定した情報の再生又は記録ができる。よって、この応用機器である、光ヘッド、光情報装置、コンピュータ、光情報媒体レコーダーなどに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の実施の形態１における光ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１の光ヘッドにおけホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態１の光ヘッドにおけるホログラムと対物レンズの側面図
【図３】本発明の実施の形態１の光ヘッドにおけるホログラムの詳細を示す拡大図
【図４】本発明の実施の形態１の光ヘッドにおけるホログラムの波長ずれと１次回折光の関係を示す図
【図５】本発明の実施の形態１の光ヘッドにおいて入射光が波長変動したときのホログラムの回折光の振る舞いの様子を示す図
【図６】本発明の実施の形態１の光ヘッドにおいて波長ずれが生じたときの収差量の変化を示す図
【図７】本発明の実施の形態１の光ヘッドにおけるホログラムの１次回折効率と屈折率変化量との関係を示す図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態１の光ヘッドにおる開口制限したホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態１の光ヘッドにおける開口制限したホログラムと対物レンズの側面図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態２の光ヘッドにおけるホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態２の光ヘッドにおけるホログラムと対物レンズの側面図
【図１０】本発明の実施の形態３における光ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態３の光ヘッドにおけるホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態３の光ヘッドにおけるホログラムと対物レンズの側面図
【図１２】（ａ）本発明の実施の形態３の光ヘッドにおる開口制限したホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態３の光ヘッドにおける開口制限したホログラムと対物レンズの側面図
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態４の光ヘッドにおけるホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態４の光ヘッドにおけるホログラムと対物レンズの側面図
【図１４】（ａ）本発明の実施の形態５の光ヘッドにおけるホログラムの平面図（ｂ）本発明の実施の形態５の光ヘッドにおけるホログラムと対物レンズの側面図
【図１５】本発明の実施の形態５における光情報装置の概略断面図
【図１６】本発明の実施の形態６におけるコンピュータの概略斜視図
【図１７】本発明の実施の形態７における光ディスクレコーダーの概略斜視図
【図１８】従来の光ヘッドの一例の概略断面図
【図１９】（ａ）従来の光ヘッドの波長選択位相板の平面図（ｂ）従来の光ヘッドの波長選択位相板の断面図
【図２０】従来の光ヘッドの他の一例の概略断面図
【符号の説明】
【０１２７】
１，５，６，２４    第１のホログラム
２，７，２５    第２のホログラム
３，８，２６    第３のホログラム
４，９，２７    第４のホログラム
１０    透明平行板
１１    青色レーザ
１２    赤色レーザ
１３    赤外レーザ
１４    コリメートレンズ
１５，２８    対物レンズ
１６    鏡筒
１７，１８，３０，３１，３２    ビームスプリッター
１７ａ，１８ａ，３０ａ    光学多層膜
１９，３３    波長板
２０    検出レンズ
２１    光検出器
４１，４２，４３    光ビーム
５１，５２，５３    光ディスク
８０    光ヘッドの駆動装置
８１    光ヘッド
８２    電気回路
８３    モータ
８４    ターンテーブル
８６    光情報装置
８７    演算装置
８８    コンピュータ
９０，９１    入力装置
９２    デコーダー
９３    エンコーダー
８９    出力装置
９４    光ディスクレコーダー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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